功率半导体模块压接工艺分析与改进
【摘要】本文通过对功率半导体模块压接结构工艺的的理论分析，提出了在其结构设计上的一些改进措施。
【关键词】热阻；压接式；功率模块；降压；穿通
Abstract：This article focuses on the theoretical analysis of pressure structure technology of the power semiconductor module.Described some improvement in its structure design.
Key words：thermal resistance；pressure structure；power module；reduced voltage；breakdown
1.引言
功率半导体模块以其体积小，使用方便等优点，在市场上的使用越来越广，如变频器，功率补偿器，软启动器，近年来在风电领域上也得到了广泛应用。
对于压接式功率模块，其装配工艺尤为重要，本人根据多年对“压接式功率模块”的研究，提出了对于提高功率模块压接质量的一些看法，仅供同仁们探讨。
2.压接式功率模块结构简介
2.1 压接式模块概念
所谓电力半导体压接式功率模块，就是把一个、两个或多个电力半导体芯片，按照一定的电路连接形式，采用机械组装法将其密闭封装在一个绝缘壳体内，以实现其特定功能的模块化独立器件产品。
2.2 压接功率模块的组成
压接式功率模块主要由芯片、铜底板、碟簧、内六螺丝、压板，平垫、电极柱、瓷片、绝缘管、塑壳等部分组成。
3.压接功率模块装配工艺分析与改进措失
3.1 材料的选取
3.1.1 芯片的选取
因模块封装是单面散热而且是绝缘形的，所以其热阻大，不易散热，这就要求芯片参数在选取上应较双面散热更严格。也就是说在过流相同，壳温相同的条件下，以模块形式封装的芯片其VTM 、IDRM 、IRRM都应较双面散热要小，这样才能保证其过流能力。
3.1.2 瓷片的选取。
模块特性的好坏，很大程度上取决于绝缘和散热的优化处理。现模块使用的高绝缘强度，高导热率的陶瓷基片主要有四种：氧化铍，氧化铝，碳化硅和氮化铝。其性能对比分析如表1。
通过以上对比，ALN陶瓷基片其导热率高，绝缘电压高，热膨胀系数与硅材料相近，电性能优良，机械强度高等优点，成为首选，但其价格偏高。
3.1.3 灌封胶的选用。
优良的灌封胶既可以保证模块的电学性能，有利于模块在应用中的应力释放，又可以保护模块不受污染，提升模块防湿潮和防腐蚀性能。好的灌封胶应具有性能如表2。
3.1.4 其它部件选用
压接式功率模块中的碟簧，垫片，铜电极等都应严格按标准进行检验，合格后方可使用，以保证装配后产品使用的可靠性。
清洗机超音波清洗机是现代工厂工业零件表面清洗的新技术,目前已广泛应用于半导体硅 片的清洗。超声波清洗机“声音也可以清洗污垢”——超声波清洗机又名超声波清洗器，以其洁净的清洗效果给清洗界带来了一股强劲的清洗风暴。超声波清洗机（超声波清洗器）利用空化效应，短时间内将传统清洗方式难以洗到的狭缝、空隙、盲孔彻底清洗干净，超声波清洗机对清洗器件的养护，提高寿命起到了重要作用。CSQ 系列超声波清洗机采用内置式加热系统、温控系统，有效提高了清洗效率；设置时间控制装置，清洗方便；具有频率自动跟踪功能，清洗效果稳定；多种机型、结构设计，适应不同清洗要求。CSQ 系列超声波清洗机适用于珠宝首饰、眼镜、钟表零部件、汽车零部件，医疗设备、精密偶件、化纤行业（喷丝板过滤芯）等的清洗；对除油、除锈、除研磨膏、除焊渣、除蜡，涂装前、电镀前的清洗有传统清洗方式难以达到的效果。恒威公司生产CSQ 系列超声波清洗机具有以下特点：不锈钢加强结构，耐酸耐碱；特种胶工艺连接，运行安全；使用IGBT 模块，性能稳定；专业电源设计，性价比高。反渗透纯水机去离子水生产设备之一，通过反渗透原理来实现净水。 纯水机清洗半导体硅片用的去离子水生产设备，去离子水有毒，不可食用。 净化设备主要产品：水处理设备、灌装设备、空气净化设备、净化工程、反渗透、超滤、电渗析设备、EDI 装置、离子交换设备、机械过滤器、精密过滤器、UV 紫外线杀菌器、臭氧发生器、装配式洁净室、空气吹淋室、传递窗、工作台、高校送风口、空气自净室、亚高、高效过滤器等及各种配件。 风淋室：运用国外先进技术和进口电器控制系统, 组装成的一种使用新型的自动吹淋室.它广 泛用于微电子医院制药生化制品食品卫生精细化工精密机械和航空航天等生产和科研单位,用于吹除进入洁净室的人体和携带物品的表面附着的尘埃,同时风淋室也起气的作用 防止未净化的空气进入洁净区域,是进行人体净化和防止室外空气污染洁净的有效设备. 抛光机整个系统是由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光浆料供给装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，人们称这种CMP 为游离磨料CMP 。 电解抛光电化学抛光是利用金属电化学阳极溶解原理进行修磨抛光。将电化学预抛光和机械精抛光有机的结合在一起，发挥了电化学和机构两类抛光特长。它不受材料硬度和韧性的限制，可抛光各种复杂形状的工件。其方法与电解磨削类似。导电抛光工具使用金钢石导电锉或石墨油石，接到电源的阴极，被抛光的工件（如模具）接到电源的阳极。 光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像（见图光致抗蚀剂成像制版过程）。光刻胶广泛用于印刷电路和集成电路的制造以及印刷制版等过程。光刻胶的技术复杂，品种较多。根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形。基于感光树脂的化学结构，光刻胶可以分为三种类型。①光聚合型，采用烯类单体，在光作用下生成自由基，自由基再进一步引发 单体聚合，最后生成聚合物，具有形成正像的特点。②光分解型，采用含有叠氮醌类化合
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示，迁移率愈大，截流子运动速度愈快。假如把一些电洞注入到一块N型半导体中，N型就多出一部分少数载子――电洞，但由于N型半导体中有大量的电子存在，当电洞和电子碰在一起时，会发
半导体器件失效原因分析 发信站: 紫金飞鸿 (Mon Oct 2 12:02:48 2000) 多年来，用户要求有更可靠的电子设备，而与此同时，电子设备发展得越来越复杂。这两个因素的结合，促使人们更加关注电子设备在长期运行中确保无故障的能力。通过失效分析可以深入理解失效机理和原因，引导元器件和产品设计的改进，有助于提高电子设备（系统）的可靠性。 半导体器件的失效通常是因为产生的应力超过了它们的最大额定值。电气应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力及其他因素都会造成器件失效。半导体器件的失效机理主要划分成以下6种： 一、包封失效。这类失效发生在用于封装器件的包封出现缺陷，通常是开裂。机械应力或热应力以及包封材料与金属引线之间热膨胀系数的不同都会引起包封开裂，当环境湿度很高或器件暴露在溶剂、清洗剂等中时，这些裂缝会使湿气浸入，产生的化学反应会使器件性能恶化，使它们失效。 二、导线连接失效。由于通过大电流造成过量的热应力、或由于连接不当使连接线中产生机械应力、连接线与裸芯之间界面的开裂、硅中的电致迁移、以及过量的连接压力，都会引起导线连接失效。 三、裸芯粘接故障。裸芯与衬底之间粘接不当时，就会恶化两者之间的导热性，结果会使裸芯过热，产生热应力和开裂，使器件失效。 四、本征硅的缺陷。由晶体瑕疵或本征硅材料中的杂质和污染物造成的缺陷使器件失效，在器件制造期间扩散工艺产生的工艺瑕疵也会造成器件失效。 五、氧化层缺陷。静电放电和通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。氧化层中的开裂、划伤、或杂质也会导致器件失效。 六、铝金属缺陷。这类缺陷往往由下列几种情况造成：由于大电场导致在电流流动方向上发生铝的电迁移；由于大电流造成过量电气应力，导致铝导体断裂；铝被腐蚀；焊接引起铝金属耗损；接触孔被不适当地淀积上金属；有小丘和裂缝。 半导体器件应该工作在由生产厂确定的电压、电流和功耗限定范围内，当器件工作在这个“安全工作范围（SOA）”之外时，电气应力过 度（EOS）就会引起内部电压中断，导致器件内部损伤。如果EOS产生大电流，会使器件过热，形成热应力过度而使器件失效，即增加的热应力会导致“二次状态”失效。
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
深圳威宇佳公司是国内知名的功率半导体检测专家，专门生产制造简便易用、高精度的设备，让操作人员轻松上手操作，省力更省心。如生产的IGBT动态参数测试设备、PIM&单管IGBT 专用动态设备、IGBT静态参数测试设备、功率半导体测试平台等，均是经过经验丰富的技术人员精心打磨出来的，设备高可靠性、高效率，已在市场上应用超过10年，历经了超过500万只模块/DBC的测试考验。
常用术语翻译 active region 有源区 2.active ponent有源器件 3.Anneal退火 4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积 5.BEOL（生产线）后端工序 6.BiCMOS双极CMOS 7.bonding wire 焊线，引线 8.BPSG 硼磷硅玻璃 9.channel length沟道长度 10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积 11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化 12.damascene 大马士革工艺 13.deposition淀积 14.diffusion 扩散 15.dopant concentration掺杂浓度 16.dry oxidation 干法氧化 17.epitaxial layer 外延层 18.etch rate 刻蚀速率 19.fabrication制造 20.gate oxide 栅氧化硅 21.IC reliability 集成电路可靠性 22.interlayer dielectric 层间介质（ILD） 23.ion implanter 离子注入机 24.magnetron sputtering 磁控溅射 25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积 26.pc board 印刷电路板 27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD 28.polish 抛光 29.RF sputtering 射频溅射 30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI）
功率半导体行业格局和产业趋势（深度） 功率半导体是大国重器，战略地位突出 在半导体产业中，功率半导体产值在 180-200 亿美金。功率半导体是我国汽车工业、高铁、空调洗衣机、电网输电等系统应用的上游核心零部件，战略地位突出。 功率半导体产品形态多种多样，几乎所有与电力能源相关的产品都需要用到功率半导体器件。按照年产值贡献口径，IGBT、MOSFET、二极管及整流桥是功率半导体最主要的三个产品类别，占据功率半导体八成左右市场。 国家大基金秉承支持半导体产业战略使命，功率半导体领域必将鼎力支持集成电路国家大基金承担着支持半导体产业发展的历史使命。 功率半导体是半导体产业中产值高达 200 亿美金的大板块，是关系着高铁动力系统、汽车动力系统、消费
及通讯电子系统等领域能否实现自主可控的核心零部件。功率半导体战略地位突出，国家大基金必将全力支持。 回顾过去 3 年国家大基金的投资历史，集中投资行业细分龙头企业是大基金一贯始终的投资策略。 我们认为在资本助力下，我国功率半导体龙头企业将加速整合海外优质资源，加速向中高端市场迈进的进程。 行业格局解析:高端市场欧美日把控，中低端市场大陆厂商站稳脚跟
IGBT 产业格局 全球功率半导体巨头主要集中美国、欧洲、日本三个地区。大陆、台湾地区厂商主要集中在二极管、晶闸管、低压 MOSFET 等低端功率器件领域，IGBT、中高压MOSFET等高端器件主要由欧美日厂商占据。 全球 IGBT 器件及模块 2015 年销售额 39.44 亿美金，德国英飞凌及赛米控(semikron)，日本三菱及富士电机，美国仙童半导体基本把控了全球 IGBT 市场，前五大厂商占据了 73.2%的市场份额。 MOSFET 产业格局 2015 年功率 MOSFET 市场产值达到 54.84 亿美金，英飞凌、仙童半导体、日本瑞萨电子、欧洲意法半导体、日本东芝等厂商占据了绝大部分市场份额，前五大厂商的市场占有率合计达到了 60.1%。 二极管产业格局 据世界半导体贸易组织数据，全球功率二极管及整流桥市场容量约为 368 亿元人民币。IGBT 及 MOSFET 市
“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。
13种常用的功率半导体器件介绍 电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。 1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管 MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点： （1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2； （2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V； （3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s； （4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断； 2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors） IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。 IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器1~ 6 MW；若反向二极管分离，不与IGCT
半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis
中文摘要 半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission 显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。 Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。 IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。 虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(micr oprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH才能更好的派上用场。因此，在失效分析中，各个步骤缺一不可。 关键词：失效分析；Photoemission；IR-OBIRCH；微探针（microprobe）;
关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告 ---时间日期：2009.11.12 ---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路 报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。 报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理； 2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐 压结构的结合）； 3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理； 4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理； 5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。 2．耐压结构（硅半导体材料） 目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)； 2.1 反向PN结（以突变结为例） 图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。 图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PN P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区) (a) (b) 图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度< 电子元器件失效分析技术与案例 费庆学 二站开始使用电子器件当时电子元器件的寿命20h. American from 1959 开始：1。可靠性评价，预估产品寿命 2。可靠性增长。不一定知道产品寿命，通过方法延长寿命。通过恶裂环境的试验。通过改进提高寿命。―――后来叫a.可靠性物理—实效分析的实例b.可靠数学 第一部分：电子元器件失效分析技术（方法） 1．失效分析的基本的概念和一般程序。 A 定义： 对电子元器件的失效的原因的诊断过程 b.目的：0000000 c．失效模式――》失效结果――》失效的表现形式――》通过电测的形式取得 d．失效机理：失效的物理化学根源 ――》失效的原因 1）开路的可能失效机理 日本的失效机理分类：变形变质外来异物 很多的芯片都有保护电路，保护电路很多都是由二极管组成正反向都不通为内部断开。 漏电和短路的可能的失效机理 接触面积越小，电流密度就大，就会发热，而烧毁 例：人造卫星的发射，因工人误操作装螺丝时掉了一个渣于继电器 局部缺陷导致电流易集中导入产生热击穿（si 和 al 互熔成为合金合金熔点更低） 塑封器件烘烤效果好当开封后特性变好，说明器件受潮或有杂质 失效机理 环境应力：温度温度过低易使焊锡脆化而导致焊点脱落。 ， 2．失效机理的内容 I失效模式与环境应力的关系 任何产品都有一定的应力。 a当应力>强度就会失效 如过电/静电：外加电压超过产品本身的额定值会失效 b应力与时间应力虽没有超过额定值，但持续累计的发生 故：如何增强强度&减少应力能延长产品的寿命 c.一切正常，正常的应力，在时间的累计下，终止寿命 特性随时间存在变化 e机械应力如主板受热变形对零件的应力认为用力 塑封的抗振动好应力好陶瓷的差。 f重复应力如：冷热冲击是很好的零件筛选方法 重复应力易导致产品老化，存在不可靠性 故使用其器件：不要过载；温湿度要适当 II如何做失效分析 例：一个EPROM在使用后不能读写 1) 先不要相信委托人的话，一定要复判。 2) 快始失效分析： 取NG&OK品，DataSheet， 查找电源断地开始测试首先做待机电流测试（IV测试） 电源对地的待机电流下降 开封发现电源端线中间断（因为中间散热慢，两端散热快，有端子帮助散热）因为断开，相当于并联电阻少了一个电 阻，电流减小。 原因：闩锁效应应力大于产品本身强度 责任：确定失效责任方：模拟试验－>测抗闩锁的能力 看触发的电流值（第一个拐点的电流值），越大越好，至少要大于datasheet或近似良品的值在标准范围内的。看维持电压（第二个拐点的电 压），若大于标准值，则很难回到原值。若多片良品抽测都OK， 说明使用者使用不当导致。 改善措施：改善供电，加保护电路。 III失效分析技术的延伸 失效分析的关键是打开样品 进货分析：不同的封装厂，在 芯片面积越小（扫描声学检测器，红的部分为空气，可用于辨别尺寸的大小），受应力越小。版本过新的产品也有可能存在可靠性问 题。可能存在设计的问题。 良品分析的作用：可以采取一层一层的分解拍照，找捷径 电动汽车功率半导体模块封装的现状与趋势作者：李慧梅 来源：《科学与财富》2020年第23期 摘要：随着碳排放的增加，我国越来越重视环境保护和可再生能源，电动汽车成为了新主流，汽车功率半导体模块近的技术和设计，成为功率半导体产业快增长点，本文讨论了电动汽车功率半导体模块封装的现状并简述了电动汽车功率半导体模块封装的趋势。 关键词：电动汽车;模块封装;功率模块 混合电动汽车是部分由电力驱动的汽车，纯电动汽车是全部由电力驱动的汽车，（混合和纯电动汽车HEV/EV），由于电力属于清洁能源且可以再生，可以通过太阳能或风能转化而成，大大减少了以往汽车的碳排放对环境造成的污染，所以HEV/EV被普遍认可成有益于环境的产品，帮助缓解能源危机和环境恶化，世界各级政府也在支持推广HEV/EV使用，汽车企业也在逐渐开发出性能更高的电动汽车。功率半导体模块是汽车PCU核心部件对HEV/EV的性能功效具有很大影响，通过电力转换对HEV/EV进行电力驱动控制其电力能量。 当前的汽车功率模块半导体是绝缘栅双极型晶体管和相应续流二极管，电动汽车相比传统型的汽车性能和成本都要高要求所以测试功率模块标准要比工业级别高，不同的汽车厂商门也会推出先进的绝缘栅双极型晶体管模块，例如平面转模模块、双面冷却模块等等，但功率半导体一直在汽车系统开关频率、重量、成本、效率等方面压力下具有器件封装的困难。 1、电动汽车功率半导体模块 汽车的空间有限，并且设计要考虑到重量和成本，功率模块和逆变器系统要减少重量、用封装结构、减少成本，并且绝缘栅双极型晶体管模块工作时的环境通常是高温湿、机械振动、化学污染强的，所以对其的标准更加严格确保电动汽车可靠运作，也是满足电动汽车能够使用的要求。目前电动汽车功率模块封装在电学、热力、机械和可靠度上都具有着难题和挑战，解决需要着手于两方面，功率半导体和模块封装，对器件的优化设计;制造工艺上改善，提高功率密度开关频率，改善功率的损耗和结温，但由于受到功率模块性能和封装技术限制导致功率模块及系统性能并不能达到优越保证，我们需要更先进的封装结构和技术才能解决难题。 2、最新汽车功率模块 原始的汽车模块开发结构和技术是包含平面基板，采用的真空回流焊接和引线键合技术，传统的技术如今已经不能满足电动汽车对电学和热学的要求，需要推出新的汽车应用功率模块。 杭州电子科技大学研究生考试卷（B卷） 1、什么是CMOS器件的闩锁效应？描述三种阻止闩锁效应的制造技术。（12分） 答：闩锁效应就是指CMOS器件所固有的寄生双极晶体管（又称寄生可控硅，简称SCR）被触发导通，在电源和地之间形成低阻抗大电流的通路，导致器件无法正常工作，甚至烧毁器件的现象。这种寄生双极晶体管存在CMOS器件内的各个部分，包括输入端、输出端、内部反相器等。当外来干扰噪声使某个寄生晶体管被触发导通时，就可能诱发闩锁，这种外来干扰噪声常常是随机的，如电源的浪涌脉冲、静电放电、辐射等。闩锁效应往往发生在芯片中某一局部区域，有两种情况：一种是闩锁只发生在外围与输入、输出有关的地方，另一种是闩锁可能发生在芯片的任何地方，在使用中前一种情况遇到较多。 2、为什么要用区熔法生长硅晶体？比较FZ和CZ优缺点。（10分） 答：（1）原因：因为区熔法可以得到低至1011cm-1的载流子浓度。区熔生长技术的基本特点是样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的，不需要坩埚。柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率技法的电磁场将在多晶柱中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得多晶柱紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料在结晶为为单晶。另一种使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内 （2）CZ和FZ区别：CZ是直拉法，就是首先把多晶硅置于坩埚内加热熔化，然后采用小的结晶“种子”——籽晶，再慢慢向上提升、结晶，获得大的单晶锭。 （3）CZ和FZ优缺点比较：FZ是水平区域熔化生长法，就是水平放置、采用感应线圈加热、并进行晶体生长的技术。直拉法在Si单晶的制备中更为常用，占75％以上。直拉法制备Si单晶的优点是：1）成本低；2）能制备更大的圆片尺寸，6英吋（150mm）及以上的Si单晶制备均采用直拉法，目前直拉法已制备出400mm（16英吋）的商用Si单晶；3）制备过程中的剩余原材料可重复使用；4）直拉法制备的Si单晶位错密度低，0～104cm-2。直拉法制备Si单晶的主要缺点是，由于使用坩埚，Si单晶的纯度不如区熔法。区熔法制备Si单晶的主要优点是，由于不使用坩锅，可制备高纯度的硅单晶，电阻率高达2000Ω-mm，因此区熔法制备的Si单晶主要用于功率器件及电路。区熔法制备Si单晶的缺点是：1）成本高； 3、什么是LOCOS和STI？为什么在高级IC工艺中，STI取代了LOCOS？（12分） 答：（1）LOCOS：即“硅的局部氧化”技术（Local Oxidation of Silicon）CMOS工艺最常用的隔离技术就是LOCOS（硅的选择氧化）工艺，它以氮化硅为掩膜实现了硅的选择氧化，在这种工艺中，除了形成有源晶体管的区域以外，在其它所有重掺杂硅区上均生长一层厚的氧化层，称为隔离或场氧化层。-常规的LOCOS工艺由于有源区方向的场氧侵蚀（SiN边缘形成类似鸟嘴的结构，称为“鸟喙效应”bird beak)和场注入的横向扩散，使LOCOS工艺受到很大的限制。STI：浅沟槽隔离(STI)是用于隔绝活动区域的制造方法，它会使实际电流不同于模拟结果。具体情况取决于电晶体位置。 （2）取代原因：LOCOS结构影响了有源区长度，为了减小鸟嘴，出现了改进的LOCOS 结构，PBL和PELOX结构。PBL（poly buffer LOCOS多晶衬垫LOCOS）结构是在掩蔽氧化层的SiN和衬底SiO2之间加入一层薄多晶，这样减小了场氧生长时SiN薄膜的应力，也减小了鸟嘴。PELOX（poly encapsulated Locol Oxidation多晶镶嵌LOCOS）结构是在SiN层的顶部和侧部嵌如多晶或非晶薄膜，然后在生长场氧，它同样能减小鸟嘴。因为两种结构增加了工艺的复杂性，故LOCOS一般用于0.5~0.35μm的工艺中。为了更有效的隔离器件的需要，尤其是对于DRAM器件而言；对晶 半导体器件烧毁的物理机理* 余稳蔡新华黄文华刘国治 摘要叙述了半导体器件烧毁的物理机理、目前的研究进展及作者正在开展的工作. 关键词半导体器件，烧毁，高功率微波 MECHANISM OF BURNOUT OF SEMICONDUCTOR DEVICES Yu Wen Cai Xinhua (Institute of EM Theory, Changde Teachers' College,Hunan415000) Huang Wenhua Liu Guozhi (Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an710024) Abstract The general mechanism of burnout of semiconductor devices is described,as well as recent progress and our present research. Key words semiconductor devices, burnout, high power microwave(HPM) 1前言 高功率微波(HPM)对电子系统进行破坏，可使系统暂时失灵或永久失效，这直接涉及系统内部电子元器件的暂时失灵或永久失效.因此要研究HPM对电子系统的破坏机理，首先要研究半导体器件烧毁的物理机理.另外，从系统的抗辐射能力和加固方面看，也需要对电子系统进行在电过应力(EOS)环境下的易损性评估.以下几个问题使得评估很困难：(1)对任意一个电子器件，很难得到精确的理论或实验失效阈值；(2)实际的EOS应力参数必须与用于理论或实验上确定失效阈值时使用的理想参数相比较，过度保守的估计将导致系统的超加固，增加不必要的成本，拖延进度，降低系统性能，而过高的估计则可使系统易损；(3)器件的复杂性问题［不同的制造过程、不同种类的器件(甚至同种器件间)有变化］；(4)产生EOS的电磁环境问题［如电磁脉冲(EMP)、核电磁脉冲(NEMP)、光电磁脉冲(LEMP)、电磁干扰(EMI)、静电放电(ESD)、系统电磁脉冲(SGEMP)、微波(MW)等等］；(5)同一批器件，数据变化也很大，不同一批器件和不同厂家的产品，数据变化就更大.因此，从理论上探讨器件烧毁的物理机理，找出大致规律，很有意义. 2器件烧毁的物理机理 半导体器件承受EOS测试时，将表现出很多失效物理机理［1］，几乎器件的每一部分都有可能失效：(1)敷金属和引线能被熔化，电迁移能使金属膜导体变薄，甚至导致开路；(2)在器件的绝缘材料或氧化区或器件表面，可产生导致局部高温的电击穿；(3)在有源结区，可产生导致强流和高温的二次击穿. 根据研究，对双极型器件，90%的失效是由结区击穿引起的，敷金属失效仅占10%，但对MOS 器件，则63%的失效来源于敷金属失效，27%则属于氧化物击穿. 通常在局部温度升高到熔点时发生敷金属和引线失效，该热量来自于金属中的强流密度或金属附近的热硅(由其他地方的强流密度引起).敷金属失效将因线路分开(有点像保险丝烧毁)而导致开路.引起失效的强流可能来自于击穿或器件其他地方的失效，所以敷金属和引线失效可能只是一种结果而不是器件失效的原因.电迁移应用于强流密度情形下金属中的质量输运.最近，人们认为，对金属膜导体截面不够的半导体器件，电迁移可能是一种消耗失效模式，该失效将导致电路开路.当半导体或绝缘体两条蚀刻导电通道之间的电场超过中间介质击穿极限时，将因产生电弧形成熔融金属通道而使电路短路，器件线度越小，该失效机制越重要. PN结的表面条件将影响其电特性.依赖于表面条件的表面复合过程，对自由载流子来说像一个阱.强场表面击穿是表面损伤的原因之一.对半导体器件，该强场发生于靠近结区与表面的交界处.器件绝缘区失效主要是高压击穿(由材料中的强瞬间电场或硅材料附近热点的热损伤或机械损伤所致).半导体器件有源结区的失效通常来自于局部熔化及随后的硅再结晶，或来自于从结表面来的实际热注入，该热量由通过结的强流密度引起，反过来又导致热或电流二次击穿. 二次击穿模式有热模式和电流模式两种［2—4］. 随入射EOS功率不同而采取不同的模式， 功率半导体模块电、热特性分析及应用 功率半导体器件是电力电子变流器的核心部件,本文分析了功率半导体模块封装设计和电路参数对模块寄生电感、散热性能和开关特性的影响,对功率半导体封装设计和电路应用提出改进。本文首先总结了近年来电力电子技术新应用对功率半导体器件提出的需求,并针对本文的研究工作,归纳了功率半导体模块的关键问题及研究现状,包括功率半导体模块低寄生电感设计、模块散热设计、功率模块布局寄生电感和热模型、压接式封装以及混合功率模块的振荡问题。目前传统功率模块结构的IGBT模块仍是主流产品,本文着重分析布局设计对寄生电感和芯片热耦合的影响。目前在模块布局设计中,为评估布局寄生电感和芯片热耦合,采用有限元分析的方法,设计过程较复杂。 本文建立了简化的IGBT模块寄生电感和芯片散热评估方法,并应用于半桥和T型三电平IGBT模块布局设计。通过有限元仿真和样品测试验证了评估方法的有效性。将模块样品应用于多能源应急电源系统,验证了模块在系统中可连续稳定运行。压接式器件在大功率应用场合获得了关注,本文提出一种适用于SiCMOSFET的压接式封装方法。 SiCMOSFET压接式封装存在两点挑战:SiCMOSFET芯片可接触面积较小,因此现有的应用于压接式IGBT的压力接触方法可能不适用于SiCMOSFET;SiC MOSFET 对封装寄生电感十分敏感,压接式封装结构需适应低寄生电感的要求。本文针对以上的挑战提出了解决方案。采用弹性压针实现SiCMOSFET压力接触,并设计了适用于压接式SiCMOSFET的微通道散热器。基于所提出的封装结构分析了布局设计对寄生电感和并联芯片均流的影响。 根据上述的设计方案进行了样品研制和实验验证。为了验证压接式SiC MOSFET内部并联芯片的均流特性,探讨了一种基于PCB罗氏线圈的电流测试方法,对并联芯片均流特性进行了测试,验证了本文提出的封装结构可以实现较好的并联芯片动态均流。SiC肖特基二极管与Si IGBT组成混合功率模块,可大大减小IGBT开通损耗和二极管反向恢复损耗。但在混合模块IGBT开通时,SiC二极管的寄生电容与回路寄生电感会产生振荡,导致电磁干扰问题。 本文建立了混合模块开通过程理论模型,分析了门极驱动和寄生参数对开通振荡的影响。研究了利用阻尼电路抑制振荡的方法,通过开通过程理论模型给出 半导体功率器件的散热计算 佛山职业技术学院陈荣光 【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。 【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却 一、半导体功率器件的类型和功耗特点 一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。 按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。 1、半导体功率放大器件 半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。 也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。 半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流： P D =U ce ·I c （式1—1） 式中P D 为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。 U ce 为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。 I c 为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。 线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。 2、半导体功率开关器件 半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。 理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所 半导体的生产工艺流程 -------------------------------------------------------------------------------- 一、洁净室 一般的机械加工是不需要洁净室(clean room)的，因为加工分辨率在数十微米以上，远比日常环境的微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工的世界，空间单位都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上精密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严重后果。 为此，所有半导体制程设备，都必须安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是洁净室的来由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class 10为例，意谓在单位立方英呎的洁净室空间内，平均只有粒径0.5微米以上的粉尘10粒。所以class后头数字越小，洁净度越佳，当然其造价也越昂贵。 为营造洁净室的环境，有专业的建造厂家，及其相关的技术与使用管理办法如下： 1、内部要保持大于一大气压的环境，以确保粉尘只出不进。所以需要大型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入洁净室中。 2、为保持温度与湿度的恒定，大型空调设备须搭配于前述之鼓风加压系统中。换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。 3、所有气流方向均由上往下为主，尽量减少突兀之室内空间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。 4、所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。 5、所有人事物进出，都必须经过空气吹浴(air shower) 的程序，将表面粉尘先行去除。 6、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源，为此务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣，除了眼睛部位外，均需与外界隔绝接触(在次微米制程技术的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。) 当然，化妆是在禁绝之内，铅笔等也禁止使用。 7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水(DI water, de-ionized water)。一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如钾、钠离子污染金氧半(MOS) 晶体管结构之带电载子信道(carrier channel)，影响半导体组件的工作特性。去离子水以电阻率(resistivity) 来定义好坏，一般要求至17.5MΩ-cm以上才算合格；为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、与UV紫外线杀菌等重重关卡，才能放行使用。由于去离子水是最佳的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！ 8、洁净室所有用得到的气源，包括吹干晶圆及机台空压所需要的，都得使用氮气(98%)，吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮！以上八点说明是最基本的要求，另还有污水处理、废气排放的环保问题，再再需要大笔大笔的建造与维护费用! 二、晶圆制作 硅晶圆(silicon wafer) 是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，显然是经过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky) 拉晶法(CZ 法)。拉晶时，将特定晶向(orientation) 的晶种(seed)，浸入过饱和的纯硅熔汤(Melt) 中，并同时旋转拉出，硅原子便依照晶种晶向，乖乖地一层层成长上去，而得出所谓的晶棒(ingot)。晶棒的阻值如果太低，代表其中导电杂质(impurity dopant) 太多，还需经过FZ悬浮区熔法法(floating-zone) 的再结晶(re-crystallization)，将杂质逐出，提高纯度与阻值。电子元器件失效分析技术与案例
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